光伏逆变器室外检测平台建设研究

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  摘 要:随着新能源技术产业的兴起,太阳能发电在我国被广泛开发利用,结合国家建设和谐社会,坚持走绿色环保道路的可持续发展政策,太阳能发电产业将在我国掀起一阵热潮。光伏发电系统作为太阳能发电的关键技术,其核心部件光伏逆变器的性能检测一直被视为该行业的尖端技术,并被欧美国家几大龙头公司垄断。光能发电的绿色道路要想持续健康长远发展下去,逆变器性能测试平台的完善势在必行,甚至已到迫在眉睫的紧急状态。而我国落后的光伏逆变器检测技术一直停留在户内实验室检测阶段,该技术瓶颈严重阻碍发电行业发展。该文就该问题首先探讨了光能发电产业在我国的发展现状,在了解我国逆变器检测平台存在的问题后提出户外检测技术方案,并进一步阐述逆变器室外检测平台的建设目标。
  关键词:光伏逆变器 检测平台 户外检测 绿色 研究
  中图分类号:TK514 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2015)08(a)-0065-02
  太阳能发电技术中,最具技术含量的一项莫过于光伏发电技术,近年来随着太阳能发电产业的迅猛发展,光伏发电技术已成为该行业的技术热门。我国自2005年颁布《可再生能源法》以来,逐步加强了全国高新技术院校、研究所等对光能发电技术渗透研究。尤其是在十八届一中全会以来,全国人民在习主席的坚强领导下,坚持走绿色环保道路,深化企业改革,积极引进研究高新技术。太阳能发电在我国迎来春天,经过几年的努力,我国太阳能发电产量已占据世界40%的份额。尽管光伏发电产业规模在不断扩大,但是产业核心技术却一直掌握在西方国家手里。目前最为业界人士重视的光伏逆变器的测试研究在我国就存在着重大的技术瓶颈。在国家政策的支持下,国内光能发电产业中也已成就不少逆变器生产企业,并且均在逆变器性能检测技术方面涉足多年。因为我国工业技术起步晚,初期又缺乏技术人才和理论支持,就技术层面讲,国内大部分企业的结构工艺、智能化程度、转化效率等方面与西方国家还存在很大的差距。
  1 我国光能发电产业的发展现状
  在全球环境持续恶化,不可再生资源消耗殆尽的今天,太阳能发电无疑是彻底解决“能源危机”“环境污染”的人类救星。应对可持续发展的全球战略,光能发电成为世界最前沿的尖端技术。为了大力坚持鼓励光伏发电产业在我国的发展,政府分别于2009年和2010年颁布了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》《关于加快培育和发展战略性新型产业的决定》,该政策都明确了我国将坚定发展多元化太阳能发电市场的决心,“十二五计划”以来太阳能发电等新能源产业再次被提上重要议题[1]。
  据国家能源统计局数据报告显示,仅截至到2013年我国太阳能发电的电源装机量就达到了335.1%的增幅。借助国家政策对太阳能发电产业的强大扶持力度,整个光伏发电产业链发生巨大变革,光能发电生产材料多硅晶及组件的成本降低又进一步推动了我国光伏发电工程、装机规模的迅猛发展[2]。2013年的数据显示在我国光伏发电的装机数量已突破1500万kW。
  光伏发电整个产业链及相关产业在我国已初具规模,主要包含了光能发电主要材料多晶硅的制造生产,太阳能电池的制造封装,光能专用材料、设备的制造安装维护等。与我国飞速发展的光伏制造业相比,在光伏应用领域的前进步伐明显滞后于我国光伏制造业。2000年,我国太阳能电池产量仅为3 MW,到2007年年底达到1088 MW,超过欧洲(1062.8 MW)和日本(920 MW),跃居世界第一位。2010年,我国太阳能电池产量达到8GW,约占全球光伏电池产量的一半,但2010年,我国新增光伏发电装机约500 MW,累计仅800 MW。中国要达到国际能源署技术路线图中提出的光伏发电比例的全球平均水平,累计光伏安装量在2020年前需要达到60 GW光伏,2030年达270 GW[3]。
  随我国光伏市场外部环境的不断变化,我国光伏产业的发展局限性日益凸显出来,具体表现在如下几方面。
  (1)规模庞大实力软弱,因为我国工业化程度低科研力量薄弱,我国光伏产业在国际市场难以挣得话语权,虽然全年产品出口量巨大,但不能把握产品的价格走势,短期内会因全球市场的需求消耗而占据大部分市场份额,但这样的情况会随着技术落后差距逐渐消失。
  (2)专业技术薄弱,我国的光伏产业一直受制于西方国家,其根本原因就是相关高新技术的缺失,在我国尚未建立一套全面完整的光伏科研创新体系,全国范围内与光伏相关的支撑产业如精密仪器、多晶硅材料等几乎全部依赖于进口,这就使得整个光伏产业只能屈服于整个产业链的低端,缺乏国际竞争力的产品往往只能获得薄弱的利润[4]。
  (3)国内需求不足,技术薄弱导致大部分生产原材料依靠进口,这大大增加了国内光伏发电成本,加之相关国家政策的短缺,目前为止我国当年装机量还不能达到全年产能的10%,这显示出我国国内光伏发电应用市场的严重不足。
  2 国内光伏逆变器检测平台的应用与存在的问题
  光能发电创造可再生节能能源,符合全球应对坏境恶化的整体趋势,将成为世界技术领域最炙手可热的科研项目是毋庸置疑的。在光伏发电系统中最为关键的一个组成部件叫做“光伏逆变器”,其功能用最专业的解释为:将光伏发电产生的直流电源通过内部结构的调整转换为交流电,以便将光能转换来的电接入实际应用中的电力网络和负载[5]。近年来受生产组件价格的大幅降低和国内标杆电价政策的出台,光伏逆变器产业的发展得到了巨大的提升。据业界专家介绍,逆变器是光伏发电系统中起功率调节的核心器件,因其特殊的功能地位使得行业对逆变器的生产加工等质量的要求极高,仅造价成本就占据了整个系统15%左右的费用。逆变器市场在我国虽具有光明的前景,但是国内逆变器的生产质量却令人担忧。在不完善的市场体制下,层次不齐的生产厂家根据不同的客户需求及应用要求生产质量水准不一致的产品,逆变器的技术改进一直得不到市场推动,缓慢的产品更新速度严重制约着我国整个光伏发电行业的飞跃。展望光伏产业未来的无限前景,立足国际市场,我国的逆变器生产不仅仅需要量的激增,更加迫切需要质的提高。   中国光伏专业委员介绍说,光伏发电系统能否长期稳定运行很大部分上取决于逆变器的工作性能,其综合性能直接关系到光伏系统的安全可靠性、能源利用率和负载供电质量等[6]。为保证光伏系统的安全运行,逆变器在投入使用前都会进行性能检测实验,目前国内的逆变器性能检测平台多是采用室内实验室的检测方案。即通过利用人工模拟的光伏电池组进行输出试验,该模拟光伏电源可以简便帮助实验人员完成逆变器的功率转换实验。而实际上,逆变器在被应用到光伏系统中去后将要应对各种复杂的外界环境,比如:阳光强度,空气湿度,环境温度,电网及设备的运行状况等因素。实验室中人工设定的实验环境和电网条件根本无法模拟逆变器实际应用中的各种客观问题。这就导致国内大部分逆变器出现能通过国实验室质量认证却能以长期稳定的保证光伏系统运行的情况发生。为保证光能产业长期安全的发展,尽快展开逆变器的室外研究、检测是我们不能逃避的路障。但是在我国,逆变器的室外检测平台技术几乎属于空白内容,由此可见,深化发展我们新能源技术尤其是光伏发电技术,当务之急是加快逆变器的室外检测平台建设。
  3 光伏逆变器户外检测技术方案
  3.1 逆变器户外检测平台设计方案
  平台的设计建设应当依托现有光伏电站开展,整个平台系统由三部分组成:光伏发电系统即光伏电站,逆变器测试设备和逆变器综合性能的分析系统。
  其中光伏发电系统包括了光伏电站的部分内容,光伏阵列、光伏防雷汇流箱、变压器、负载电网等。对逆变器性能的检测设备包括:气象站、电能质量分析仪、功率分析仪等。逆变器性能综合分析系统将采集电站运行及被检测逆变器的测试信息,通过分析处理有效数据对逆变器在室外实际工作环境的性能表现做出评价。
  3.2 逆变器综合性能分析系统
  逆变器综合性能分析系统将采用LabVIEW和QT等软件开发工具进行开发设计。在该平台做逆变器检测时,分析系统可以根据检测要求调整出符合条件的具体工作环境,同时,分析系统还将自动收集、分析、处理相关数据。测试结束后,整个实验过程的实际数据都将储存在分析系统中,由系统根据预定的性能要求标准给予被检测逆变器综合评分。
  3.3 逆变器户外测试方案
  目前专业的光伏测试系统对逆变器的监测项目包括:逆变器跟踪太阳辐照度,转换效率,功率因数、输出电压稳定度、输出电能质量,软启动,通讯功能等,该文就几项重要性能测试方案给予阐述。
  3.4 逆变器跟踪太阳辐照度的性能测试
  按照逆变器的功能要求设计,逆变器应当对发生剧变的气象参数尤其是辐照度及时有效的做出相应,以满足光伏系统的发电要求。但是辐照度急剧的变化会产生震荡功率,这将冲击逆变器内部元件甚至导致逆变器跳机情况发生[7]。逆变器如果响应迟钝失效最终将影响光伏系统的产量。测试方案是利用分析系统对比分析气象监测系统和功率分析仪、电能分析仪的三方数据。通过系统对比辐照度和功率波形之间的变化关系最终评定逆变器跟踪辐照度的性能指数。
  3.5 转换效率实验
  转换效率最直接的代表了逆变器的本质功能,即光能转换的直流电再转换为交流电的效率。目前业界普遍采用的是“欧洲效率”进行计算测试,欧洲效率是加和逆变器分别在i%额定输出功率下的转换效率的一种加权平均值[8]。功率试验利用分析系统综合计算、分析功率分析仪实时监测到的全部数据,并最终给予功率转换性能指数。
  3.6 输出电压稳定度测试
  输出电压稳定度表征了逆变器输出稳定电压的能力。当前大部分逆变器的性能要求中普遍存在电压调整率一项,电压调整率表示给逆变器输入在允许范围内的波动电压时,逆变器得到的输出电压的偏差百分比。而工作要求严格的逆变器还需要提供一项敷在调整率的参数,表示逆变器负载在0%到100%范围内变动时,其输出电压的偏差百分比。
  3.7 谐波测试
  按照国际要求,逆变器在额定功率负载下运转,注入电流谐波的总畸变概率不得超过5%,其他负载状况下,逆变器注入电网的各次谐波电流值不得逆变器额定功率运转时可接受的各次谐波电流值[9]。在该检测平台中将利用电能质量分析仪实时监测并记录逆变器的谐波情况,最后将数据输送给逆变器综合性能分析系统,并对逆变器的谐波性能做出分析评价。
  4 光伏逆变器户外检测平台建设目标
  长期以来,我国光伏发电产业具有巨大发展潜能,无论时经济市场融资组建光伏产业,还是我国丰富的光照资源,都为光伏产业的扩展奠定了物质基础。但是因我国工业化进程起步晚,专业人才缺失,大部分理论知识被欧美国家垄断,我国光能事业的进一步拓展被紧紧的捆绑在技术落后的小辫子上。逆变器室外检测平台作为国内技术空白的突破性科研项目,其被赋予和寄托了多方面的目标和希望。
  技术目标:光伏逆变器户外测试平台的建立不仅弥补了我国在太阳能利用方面的技术空白,通过户外测试平台的测试研究将进一步完善光伏产业整体产品质量和服务水准[10]。户外测试平台将彻底解决逆变器室内检测达标实际应用不过关的情况,在对逆变器的整体测试实验中,逆变器与光伏电站运营变化的对应反映,将有助于电站的进一步提升,所得实验数据是将成为光能开发利用理论研究的宝贵资料。
  经济目标:户外测试平台一旦开发建设成功,可将其投入商业运作,开放式的管理模式既能规范我国逆变器生产市场又能带动一大批新的高科技产业。户外检测平台将被纳入到光伏产业链中,立足于前景无限的新能源市场,户外检测平台将引领新一批的光能产业经济高潮。
  社会效益目标:光伏逆变器检测平台在研究之初就被赋予众望,我国光伏市场仍处于杂散乱多的状况中,市场的深化改革需要技术的支持,只有不断保障逆变器的性能指标,整个光伏市场才能够向更高更科学的远方前进。
  5 结语
  光伏发电在我国还有很远的路要走,就目前国际形势来看,光伏发电无论是在中国还是在全世界都有广阔的发展前景,但是我国的光伏产业不仅仅需要政府、政策的积极引导和支持,广大科研人员应当担负起重任,励志攻克技术难关,突破国外产权枷锁,为我国的光伏产业塑造强劲的“发动机”,作为光伏产业的一员,光伏企业更应当积极配合国家相关法律法规的实施要求,承担社会责任,努力营造良好的光伏发展氛围。
  参考文献
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